Quy trình khai thác và sản xuất vàng

Giới thiệu: Hành trình từ lòng đất đến tay người tiêu dùng

Những thỏi vàng lấp lánh, những món trang sức tinh xảo mà chúng ta thấy trong các cửa tiệm là kết quả cuối cùng của một hành trình dài, gian khổ và vô cùng phức tạp. Vàng không tự nhiên sinh ra ở dạng nguyên chất. Nó tồn tại dưới dạng các hạt cực nhỏ, phân tán trong các lớp đất đá sâu trong lòng đất hoặc lẫn trong các trầm tích sông suối. Để có được một ounce vàng (khoảng 31.1 gram), người ta có thể phải đào và xử lý hàng tấn quặng. Quy trình khai thác và sản xuất vàng là một sự kết hợp giữa kỹ thuật địa chất, công nghệ cơ khí, hóa học phức tạp và những tiêu chuẩn nghiêm ngặt về môi trường và an toàn lao động. Hãy cùng khám phá hành trình kỳ diệu này qua từng giai đoạn.

Giai đoạn 1: Thăm dò - Đi tìm kho báu ẩn giấu

Đây là giai đoạn đầu tiên và mang tính quyết định. Các công ty khai thác mỏ không đào một cách hú họa. Họ phải đầu tư hàng triệu đô la và nhiều năm nghiên cứu để xác định vị trí các mỏ vàng có trữ lượng đủ lớn và hàm lượng vàng đủ cao để việc khai thác mang lại lợi nhuận kinh tế.

Các phương pháp thăm dò chính:

• Nghiên cứu địa chất bề mặt: Các nhà địa chất học bắt đầu bằng việc nghiên cứu bản đồ, ảnh vệ tinh và dữ liệu địa chất lịch sử để xác định các khu vực có cấu trúc địa chất tiềm năng cho sự hình thành vàng (ví dụ: gần các đứt gãy, các vùng đá biến chất). Họ sẽ đi thực địa, thu thập các mẫu đất, đá, nước để phân tích hàm lượng vàng ban đầu.
• Thăm dò địa vật lý: Các phương pháp hiện đại được áp dụng để "nhìn" sâu vào lòng đất mà không cần khoan.
  • Đo từ tính: Vàng thường đi kèm với các khoáng vật có từ tính. Máy đo từ trường từ trên máy bay hoặc mặt đất có thể phát hiện các dị thường từ tính, gợi ý sự hiện diện của quặng.
  • Đo điện trở suất: Các thân quặng chứa vàng thường có tính dẫn điện khác biệt so với lớp đá xung quanh. Bằng cách phóng một dòng điện vào lòng đất và đo điện trở, các nhà khoa học có thể phác họa được hình dạng của các cấu trúc ngầm.
  • Đo địa chấn: Tương tự như siêu âm, sóng âm được tạo ra và truyền vào lòng đất. Bằng cách phân tích sóng phản xạ lại, các nhà địa chất có thể xây dựng bản đồ 3D của các lớp đá bên dưới.
• Khoan thăm dò (Drilling): Đây là bước cuối cùng và tốn kém nhất nhưng cũng cung cấp thông tin chính xác nhất. Các giàn khoan sẽ khoan sâu vào lòng đất để lấy lên các lõi khoan (drill cores). Các lõi khoan này là những mẫu đá hình trụ, cho thấy chính xác các lớp đất đá và mạch quặng ở các độ sâu khác nhau. Các mẫu lõi khoan sẽ được gửi đến phòng thí nghiệm để phân tích hàm lượng vàng (thường được tính bằng gram vàng trên một tấn quặng - g/t).

Dựa trên kết quả của hàng trăm lỗ khoan, các kỹ sư sẽ xây dựng một mô hình 3D của thân quặng, ước tính tổng trữ lượng và hàm lượng vàng trung bình. Nếu các con số này khả quan, dự án sẽ chuyển sang giai đoạn khai thác.

Giai đoạn 2: Khai thác - Tách vàng ra khỏi đất đá

Có hai phương pháp khai thác chính, tùy thuộc vào hình dạng, độ sâu và đặc điểm địa chất của mỏ vàng.

1. Khai thác lộ thiên (Open-pit Mining)

Phương pháp này được áp dụng khi thân quặng vàng lớn và nằm gần bề mặt. Đây là phương pháp phổ biến nhất, chiếm phần lớn sản lượng vàng trên thế giới.

• Quy trình: Người ta sẽ dùng thuốc nổ để phá vỡ các lớp đất đá trên bề mặt. Sau đó, những chiếc máy xúc và xe tải khổng lồ (có thể chở hàng trăm tấn đất đá mỗi chuyến) sẽ lần lượt đào và vận chuyển đất đá đi. Mỏ được đào theo hình bậc thang từ trên xuống dưới, tạo ra một cái hố khổng lồ hình nón hoặc phễu.
• Ưu điểm: An toàn hơn cho công nhân, chi phí vận hành thấp hơn và có thể khai thác với hiệu suất rất cao.
• Nhược điểm: Tác động rất lớn đến môi trường, phá hủy toàn bộ bề mặt hệ sinh thái và cảnh quan trong một khu vực rộng lớn.

2. Khai thác hầm lò (Underground Mining)

Phương pháp này được sử dụng khi thân quặng nằm sâu trong lòng đất hoặc có dạng các mạch mỏng, không kinh tế để khai thác lộ thiên.

• Quy trình: Công nhân sẽ đào các đường hầm thẳng đứng (giếng mỏ) hoặc đường hầm nghiêng (dốc) từ bề mặt để tiếp cận thân quặng. Từ đó, họ sẽ đào các mạng lưới đường hầm ngang tỏa ra theo các mạch quặng. Quặng được phá vỡ bằng thuốc nổ hoặc máy móc chuyên dụng, sau đó được vận chuyển lên mặt đất thông qua các hệ thống trục tải hoặc băng chuyền.
• Ưu điểm: Ít tác động đến bề mặt đất và cảnh quan hơn so với khai thác lộ thiên.
• Nhược điểm: Chi phí đầu tư và vận hành rất cao, nguy hiểm hơn cho công nhân (nguy cơ sập hầm, nổ khí, thiếu oxy...), và hiệu suất khai thác thấp hơn.

Giai đoạn 3: Chế biến quặng - Nghệ thuật tách vàng từ đá

Quặng vàng được vận chuyển từ mỏ đến nhà máy chế biến. Đây là giai đoạn của hóa học và kỹ thuật. Mục tiêu là tách các hạt vàng siêu nhỏ ra khỏi hàng tấn đất đá vô giá trị.

1. Nghiền và Xay (Crushing and Grinding):

   Đầu tiên, các tảng quặng lớn được đưa vào máy nghiền hàm (jaw crusher) hoặc máy nghiền côn (cone crusher) để làm vỡ chúng thành các mảnh nhỏ hơn. Sau đó, quặng được đưa vào các máy xay khổng lồ (SAG mills hoặc ball mills) cùng với nước và các viên bi thép. Máy xay quay tròn, các viên bi thép va đập và nghiền quặng thành một loại bùn mịn (slurry).

2. Phân tách và làm giàu quặng:

   Tùy thuộc vào đặc tính của quặng, một số phương pháp vật lý có thể được sử dụng để loại bỏ bớt đất đá và làm tăng hàm lượng vàng trước khi xử lý hóa học. Ví dụ, phương pháp tuyển trọng lực (dựa vào tỷ trọng rất lớn của vàng) có thể dùng các bàn lắc hoặc máy ly tâm để thu hồi các hạt vàng lớn.

3. Hòa tách bằng Xyanua (Cyanide Leaching) - Phương pháp phổ biến nhất:

   Đây là trái tim của quy trình sản xuất vàng hiện đại. Bùn quặng mịn được đưa vào các bể chứa lớn. Một dung dịch natri xyanua (NaCN) loãng được thêm vào và sục khí oxy. Xyanua có khả năng hòa tan vàng, tạo thành một phức chất hòa tan trong nước gọi là aurocyanide, trong khi các khoáng chất khác không bị ảnh hưởng.

   Phản ứng hóa học: 4 Au + 8 NaCN + O₂ + 2 H₂O → 4 Na[Au(CN)₂] + 4 NaOH

4. Thu hồi vàng từ dung dịch:

   Sau khi vàng đã được hòa tan, dung dịch chứa vàng này cần được tách ra khỏi phần bã quặng. Sau đó, vàng được thu hồi từ dung dịch bằng hai cách chính:

   • Phương pháp Carbon-in-Pulp (CIP): Các hạt than hoạt tính được cho vào dung dịch bùn quặng. Than hoạt tính có khả năng hấp phụ phức chất vàng-xyanua lên bề mặt của nó. Sau một thời gian, các hạt than "no" vàng này được vớt ra.
   • Phương pháp Merrill-Crowe: Bột kẽm được thêm vào dung dịch vàng trong. Kẽm sẽ phản ứng và đẩy vàng ra khỏi phức chất, làm vàng kết tủa dưới dạng chất rắn.
5. Tách vàng khỏi than hoạt tính và nấu chảy:

   Nếu sử dụng phương pháp CIP, các hạt than chứa vàng sẽ được rửa bằng một dung dịch xyanua và xút nóng để "nhả" vàng trở lại vào dung dịch. Dung dịch vàng đậm đặc này sau đó được đưa qua các cell điện phân. Dòng điện làm cho vàng nguyên chất bám vào các cực âm bằng thép. Lớp vàng này được cạo ra, trộn với các chất trợ dung (flux) và nấu chảy trong lò ở nhiệt độ trên 1064°C. Các tạp chất còn lại sẽ nổi lên trên tạo thành xỉ và được loại bỏ. Vàng nóng chảy được đổ vào khuôn.

Sản phẩm cuối cùng của giai đoạn này là các thỏi vàng Doré. Vàng Doré không phải là vàng nguyên chất, nó vẫn còn lẫn bạc và các kim loại khác, với độ tinh khiết thường từ 60-90%.

Giai đoạn 4: Tinh luyện - Từ Doré đến vàng 9999

Các thỏi vàng Doré từ khắp các mỏ trên thế giới sẽ được vận chuyển đến các nhà máy tinh luyện chuyên biệt. Tại đây, chúng sẽ trải qua các quy trình hóa học cuối cùng để đạt độ tinh khiết cao nhất.

Hai phương pháp tinh luyện chính:

• Quy trình Miller: Một dòng khí Clo (Cl₂) được thổi qua vàng nóng chảy. Clo sẽ phản ứng với hầu hết các kim loại tạp chất (như bạc, kẽm, đồng) để tạo thành các muối clorua nổi lên trên bề mặt dưới dạng xỉ và được loại bỏ. Phương pháp này có thể tạo ra vàng có độ tinh khiết lên đến 99.5% - 99.95%.
• Quy trình Wohlwill: Đây là một quá trình điện phân. Một thỏi vàng chưa tinh khiết được dùng làm cực dương, và một lá vàng mỏng nguyên chất làm cực âm, tất cả được nhúng trong dung dịch axit chloroauric. Khi dòng điện chạy qua, vàng nguyên chất từ cực dương sẽ hòa tan vào dung dịch, di chuyển và bám vào cực âm. Các tạp chất khác sẽ rơi xuống đáy bể dưới dạng bùn. Quy trình Wohlwill có thể tạo ra vàng với độ tinh khiết cực cao, lên đến 99.99% (vàng 4 số 9) hoặc thậm chí 99.999% (vàng 5 số 9).

Sau khi tinh luyện, vàng nguyên chất được nấu chảy một lần nữa và đúc thành các sản phẩm tiêu chuẩn như vàng miếng, thỏi vàng với trọng lượng và nhãn hiệu được kiểm định nghiêm ngặt trước khi đưa ra thị trường.

Kết luận

Quy trình khai thác và sản xuất vàng là một minh chứng cho sự sáng tạo và năng lực của con người trong việc chinh phục tự nhiên. Từ việc tìm kiếm những dấu vết mong manh trong lòng đất, di chuyển những ngọn núi đất đá, cho đến việc áp dụng những phản ứng hóa học phức tạp, mỗi bước trong hành trình đều đòi hỏi sự đầu tư khổng lồ về vốn, công nghệ và sức người. Hiểu được sự phức tạp và gian khổ đằng sau mỗi chỉ vàng giúp chúng ta thêm trân trọng giá trị của kim loại quý này - một giá trị được tạo nên không chỉ bởi sự khan hiếm mà còn bởi trí tuệ và công sức của con người.